高中物理-核聚变、核裂变练习

高中物理-核聚变、核裂变练习

基础夯实

一、选择题(1～3题为单选题，4、5题为多选题)

1．(江苏徐州市高二下学期期末)一典型的铀核裂变方程是23592U＋X→14456Ba＋8936Kr＋310n，关于该反应，下列说法正确的是( C )

A．X是质子

B．该反应是核聚变反应

C．23592U的比结合能小于14456Ba的比结合能

D．释放出的中子对于链式反应的发生没有作用

解析：该反应是裂变反应，X是中子，释放的中子引起链式反应，故A、B、D错误；23592 U的比结合能小于14456Ba的比结合能，C正确。

2．2010年3月31日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质、反物质、以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。请推测反氢原子的结构是( B ) A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成

B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成

C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成

D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成

解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由1－1H核和01e构成的。

3．2002年，美国《科学》杂志评出的《2001年世界十大科技突破》中，有一次是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果，该站揭示了中微子失踪的部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。在上述研究中有以下说法，正确的是( B )

①若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相反

②若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致

③若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一致

④若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能

相反

A ．①③

B ．②③

C ．③④

D ．①②

解析：中微子在转化为μ子和τ子的前后过程中满足动量守恒定律。

4．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是( AC )

A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H ―→42He ＋1

0n

B ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n

C ．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2

D ．“人造太阳”核能大小的计算公式是

E ＝12

mc 2 解析：“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变，故选项A 正确，选项B 错误；核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，故选项C 正确，选项D 错误。

5．关于粒子，下列说法中正确的是( BC )

A ．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B ．质子、中子本身也有复杂的结构

C ．质子是带电的强子

D ．电子电荷是电荷的最小单位

解析：质子和中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故选项A 错误，选项B 正确；不同的夸克组成强子，有的强子带电，有的强子不带电，质子是最早发现的带正电的强子，故选项C 正确；夸克模型是研究强子的理论，不同夸克带的电荷不同，分别为元电

荷的＋23或－13

，这说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故选项D 错误。 二、非选择题

6．(山东淄博市淄川中学高二下学期期中)科学研究发现太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应，即在太阳内部4个氢核(11H)转化成一个氦核(42He)和两个正电子(01e)并放出能量，已知质子质量m p ＝1.0073u ，α粒子的质量m α＝4.0015u ，电子的质量

m e ＝0.0005u,1u 质量相当于931MeV 的能量。写出该热核反应方程__411H ―→42He ＋201e__；一次这样的热核反应过程中释放出__24.86__MeV 的能量。(结果保留四位有效数字)。

解析：Δm ＝4m p －m α－2m e ＝4×1.0073u－4.0015u －2×0.0005u＝0.0267u

ΔE ＝Δmc 2

＝0.0267u×931MeV＝24.86MeV

7．(江苏泰州二中高二下学期检测)太阳的能量来自氢核聚变：即四个质子(氢核)聚变一个α粒子，同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子。如果太阳辐射能量的功率为P ，质子11H 、氦核42He 、正电子10e 的质量分别为m P 、m a 、m e ，真空的光速为c ，则

(1)写出上述核反应方程式；

(2)计算每一次聚变所释放的能量ΔE；

(3)计算t时间内因聚变生成的α粒子数n。

答案：(1)411H→42He＋201e (2)ΔE＝(4m P－m a－m e)c2

(3)

Pt

4m p－m a－2m e c2

解析：(1)核反应方程式为：411H→42He＋201e；

(2)核反应过程中的质量亏损Δm＝(4m P－m a－m e)，根据爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2可知，核反应释放的能量，ΔE＝(4m P－m a－m e)c2。

(3)设t时间内因聚变生成的α粒子数为n，

依据能量关系Pt＝nΔE

有，n＝Pt

ΔE ＝

Pt

4m p－m a－2m e c2

能力提升

一、选择题(1～3题为单选题，4题为多选题)

1．(北京市房山区高三上学期期末)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克” (英文名称：EAST，称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，已知光速为c。下列说法中正确的是( A )

A．核反应放出的能量等于 (m1＋m2－m3－m4 )c2

B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4

C．这种热核实验反应是α衰变

D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同

解析：核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正确；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B错误；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故CD错误。

2．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是( B ) A．核反应方程是11H＋10n→31H＋γ

B．聚变反应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3

C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c2

D．γ光子的波长λ＝

h

m1＋m2－m3c2

解析：11H＋10n→21H＋γ，选项A错误；由题可知，该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3，

选项B 正确；根据爱因斯坦的质能方程E ＝mc 2得，该反应辐射出的γ光子的能量为E ＝(m 1＋m 2－m 3)c 2，选项C 错误；由E ＝hν＝h c λ得，λ＝h m 1＋m 2－m 3c

，选项D 错误。 3．(江苏泰州二中高二下学期检测)“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程。中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的。一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下列说法正确的是( B )

A ．母核的质量数小于子核的质量数

B ．母核的电荷数大于子核的电荷数

C ．子核的动量与中微子的动量相同

D ．子核的动能大于中微子的动能

解析：原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程。电荷数少1，质量数不变，故A 错误，B 正确；原子核(称为母核)俘获电子的过程中动量守恒，初状态系统的总动量为0，则子核的动量和中微子的动量大小相等，方向相反，故C 错误；子核的动量大小和中微子的动量大小

相等，由于中微子的质量很小，根据E k ＝p 2

2m

知，中微子的动能大于子核的动能，故D 错误，故选B 。

4．(江西南昌二中高二下学期期中)K －介子衰变的方程为K －→π－＋π0，其中K －

介子和π－介子带负的元电荷e ，π0介子不带电，π－介子的质量为m 。如图所示，两匀强磁场方向相同，以虚线MN 为理想边界，磁感应强度分别为B 1、B 2。今有一个K －介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场B 1中，其轨迹为圆弧AP ，P 在MN 上，K －在P 点时的速度为v ，方向与MN 垂直。在P 点该介子发生了上述衰变。衰变后产生的K －介子沿v 反方向射出，其运动轨迹为如图虚线所示的“心”形图线。则以下说法正确的是( AD )

A ．π0介子做匀速直线运动

B ．π－介子的运行轨迹为PENCMDP

C ．π－介子运行一周回到P 用时为t ＝2πm eR 1

D ．B 1＝2B 2

解析：π0

介子不带电，不受洛伦兹力作用，故做匀速直线运动，A 正确；根据左手定

则可知：π－介子从P 点沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场B 1时，受到的洛伦兹力方向向上，所以π－介子的运行轨迹为PDMCNEP ，故B 错误；π－介子在整个过程中，在匀强磁场B 1中

运动两个半圆，即运动一个周期，在匀强磁场B 2中运动半个周期，所以T ＝2πm B 1e ＋πm B 2e

，故C 错误；由图象可知，π－

在匀强磁场B 1中运动半径是匀强磁场B 2中运动半径的一半，根据r ＝mv qB

可知，B 1＝2B 2，故D 正确。 二、非选择题

5．如下一系列核反应是在恒星内部发生的。

p ＋12 6C ―→13 7N

13 7N ―→13 6C ＋e ＋＋ν p ＋13 6C ―→14 7N p ＋14 7N ―→15 8O

15

8O ―→15 7N ＋e ＋＋ν p ＋15 7N ―→12 6C ＋α

其中p 为质子，α为α粒子，e ＋为正电子，ν为中微子，已知质子的质量为m p ＝1.672

648×10

－27kg ，α粒子的质量为m α＝6.644 929×10－27kg, 正电子的质量为m e ＝9.11×10－31kg ，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c ＝3.00×108m/s ，试计算该系列核反应完成后释放的能量。

答案：3.95×10－12J

解析：为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系统反应最终等效为

4p ―→α＋2e ＋

＋2ν

设反应后释放的能量为Q ，根据质能关系和能量守恒得

4m p c 2＝m αc 2＋2m e c 2＋Q

代入数值可得 Q ＝3.95×10－12J